Qual papel desempenha um dispositivo de proteção integrado por microcomputador no equipamento de alta tensão e como selecioná-lo?
Papel e Seleção de Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador em Equipamentos de Alta Tensão
Nos últimos anos, a aplicação de dispositivos integrados de proteção por microcomputador em projetos de sistemas de distribuição de energia de média e alta tensão aumentou significativamente. Esses dispositivos são fáceis de usar e superam as desvantagens da proteção por relé tradicional, como fiação complexa, baixa confiabilidade e procedimentos de configuração e depuração complicados. Os dispositivos integrados de proteção por microcomputador apresentam funções de autodiagnóstico completas, tornando a detecção e a comissionamento altamente convenientes.
Uma vez detectada uma anomalia, a unidade central de processamento (CPU) comanda o gerador de sinais para emitir os sinais de alarme sonoro e visual correspondentes. Além disso, várias funções auxiliares são facilmente implementadas, como a impressão de informações de falhas e o registro do horário das ações de proteção após um evento. Muitos fabricantes produzem esses dispositivos, cada um oferecendo produtos com funcionalidades e configurações de hardware diferentes, tornando desafiador escolher o dispositivo de proteção integrado mais adequado.
I. Seleção de Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador
Para garantir que os dispositivos integrados de proteção por microcomputador cumpram corretamente e com precisão suas tarefas de proteção por relé, a seleção durante a fase de projeto deve ser baseada em uma avaliação abrangente da confiabilidade, tempo de resposta, facilidade de manutenção e comissionamento, e funções adicionais.
1.1 Confiabilidade dos Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador
A entrada de sinal para dispositivos integrados de proteção por microcomputador é a mesma que para a proteção por relé tradicional: sinais de tensão e corrente são introduzidos a partir de transformadores de tensão (VTs) e transformadores de corrente (CTs), convertidos por transdutores nos sinais padrão necessários pelo dispositivo de proteção, e filtrados para remover harmônicas de baixa e alta ordem e outros sinais de interferência. Conversores analógico-digital (A/D) então transformam os sinais analógicos em sinais digitais. A CPU realiza cálculos na entrada digital, compara-os com valores pré-definidos, faz julgamentos e decide se deve acionar um alarme ou disparo.
Para atender aos requisitos de confiabilidade, os sinais de entrada de medição e proteção são processados e saídos por unidades de processamento independentes dentro do dispositivo. Isso garante alta precisão de medição e fornece margem suficiente durante falhas graves. O dispositivo não deve sofrer transbordamento A/D ou saturação quando a corrente do sinal de falha atinge 20 vezes o valor normal, o que geralmente satisfaz os requisitos de confiabilidade para aplicações típicas de engenharia.
1.2 Tempo de Resposta dos Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador
Durante o projeto e a seleção, a qualidade de um dispositivo de proteção pode ser julgada apenas com base em três indicadores: precisão de cálculo, tempo de resposta e carga de cálculo. Esses três fatores são mutuamente contraditórios: menor precisão de cálculo e menor carga de cálculo levam a tempos de resposta mais rápidos, enquanto maior precisão e maior carga resultam em tempos de resposta mais lentos. Geralmente, para os usuários finais da rede elétrica, a carga de cálculo deve ser maior que 3 vezes, a precisão de cálculo deve ser superior a 0,2%, e o tempo de resposta máximo deve ser inferior a 30 ms para atender aos requisitos típicos de engenharia de tempo de resposta.
1.3 Seleção de Outras Funções dos Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador
Os dispositivos de proteção integrados contêm numerosos chips integrados, exigindo alto nível de conhecimento técnico para manutenção. Durante a seleção, devem ser preferidos dispositivos com hardware modular e universal, permitindo que falhas de hardware sejam resolvidas simplesmente substituindo módulos, melhorando assim a eficiência do trabalho.
Além disso, o dispositivo de proteção deve ter um módulo EPROM embutido, permitindo que todos os valores de configuração sejam armazenados digitalmente. O pessoal no campo pode facilmente recuperar essas configurações para a comissionamento do equipamento sem a necessidade de reescrever dados. Para se integrar ao sistema de monitorização automática global do projeto, o dispositivo de proteção deve ter capacidades de comunicação, permitindo a formação fácil de redes via barramentos de dados e a transmissão de informações de ação para o sistema de monitorização automática superior.
2. Relação Entre Dispositivos de Proteção Integrados e o Sistema de Controle Automático da Planta
Com base na configuração e nos requisitos de comunicação do sistema de controle automático da planta, o sistema de automação para dispositivos integrados de proteção por microcomputador é tipicamente dividido em três camadas: a camada de quadros de distribuição, a camada de subestação e a sala de controle central.
2.1 Camada de Quadros de Distribuição
A camada de quadros de distribuição consiste em diversos tipos de dispositivos integrados de proteção por microcomputador, instalados diretamente nos quadros de distribuição. Cada dispositivo lida diretamente com a medição, sinais de proteção e funções de controle para seu respectivo gabinete. As funções específicas são as seguintes:
(1) Gabinete de Entrada
Funções de Proteção: Disparo instantâneo por sobrecorrente, disparo por sobrecorrente com retardo.
Funções de Medição: Corrente trifásica, tensão trifásica, potência ativa e reativa, energia ativa e reativa.
Funções de Monitoramento: Posição aberta/fechada do disjuntor.
Funções de Controle: Abertura/fechamento manual (no gabinete), controle remoto de abertura/fechamento.
Funções de Alarme: Disparo devido a falha, sinais de aviso, abertura/fechamento, falha do dispositivo, gravação de falhas, etc.
(2) Gabinete de Transformador
Funções de Proteção: Disparo instantâneo por sobrecorrente, disparo por sobrecorrente com retardo, sobrecarga inversa, falha de terra monofásica, disparo por gás pesado.
Funções de Medição, Monitoramento e Controle: As mesmas do gabinete de entrada.
Funções de Alarme: Disparo devido a falha, gás leve, alarme de temperatura, sinais de aviso, abertura/fechamento, falha do dispositivo, gravação de falhas, etc.
(3) Gabinete de Barramento
Funções de Proteção, Monitoramento e Controle: As mesmas do gabinete de entrada.
Funções de Alarme: Disparo devido a falha, falha do dispositivo, gravação de falhas, etc.
(4) Gabinete de Motor
Funções de Proteção: Disparo instantâneo por sobrecorrente, disparo por sobrecorrente com retardo, sobrecarga, falha de terra monofásica, baixa tensão, superaquecimento.
Funções de Medição: Corrente trifásica, tensão trifásica, potência ativa e reativa, energia ativa e reativa.
Funções de Monitoramento: Posição aberta/fechada do disjuntor.
Funções de Controle: Abertura/fechamento manual (no gabinete), controle remoto de abertura/fechamento.
Funções de Alarme: Disparo devido a falha, sinais de aviso, abertura/fechamento, falha do dispositivo, gravação de falhas, etc.
Após a aquisição de dados em seus respectivos quadros de distribuição, os dispositivos de proteção transmitem os dados via barramento para o computador de monitorização na camada de subestação. Este sistema reduz significativamente os cabos de controle, encurta o tempo de comissionamento no local e melhora a eficiência do trabalho.
2.2 Camada de Subestação
Muitos sinais da subestação precisam ser transmitidos para a sala de controle central via Ethernet industrial da planta, e a subestação recebe sinais da sala de controle central para emitir comandos de controle aos dispositivos de proteção. A camada de subestação geralmente consiste em computadores de controle industrial, impressoras e monitores. Suas principais funções incluem configurar e gerenciar os dispositivos de proteção integrados dos quadros de distribuição, monitorar a operação do sistema, estabelecer e gerenciar o banco de dados da subestação e comunicar-se com a sala de controle central.
Devido aos fabricantes manterem o software e os métodos de cálculo elétrico dos dispositivos de proteção confidenciais, a camada de subestação também deve lidar com a conversão de protocolos de comunicação para facilitar a transmissão e recepção de sinais entre a sala de controle central e os dispositivos de proteção.
2.3 Rede de Comunicação
A comunicação entre os quadros de distribuição e a subestação pode usar uma rede de barramento MODbus, suportando até 64 estações escravas. A isolação óptica é usada entre a rede de comunicação e os dispositivos para prevenir interferências externas. A comunicação entre a subestação e a sala de controle central usa uma Ethernet industrial com meio de fibra óptica, com uma taxa de comunicação superior a 1 Mbps.
2.4 Software
O software do sistema pode usar plataformas mainstream com arquiteturas de padrão internacional, como Windows NT. Os módulos de software devem incluir: software de controle principal, software gráfico, software de gerenciamento de banco de dados, software de geração de relatórios e software de comunicação.
Ao selecionar o software, o software de controle principal deve ter um alto grau de modularidade. A alta modularidade permite que o pessoal no campo chame o software facilmente com base nas condições do local, sem programação adicional, reduzindo significativamente a carga de trabalho operacional e de manutenção para despachantes e pessoal de manutenção e melhorando a eficiência do trabalho.
3. Questões a Serem Observadas na Seleção de Hardware para Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador
Além disso, as seguintes questões devem ser observadas na seleção de hardware para dispositivos integrados de proteção por microcomputador:
Use um chassis selado e reforçado resistente a vibrações fortes e interferências, com tamanho de instalação compacto adequado para ambientes rigorosos e montagem em gabinetes.
Adote uma estrutura de duplo CPU de grau industrial, com cada dispositivo contendo um CPU principal e um CPU de comunicação. Os dois CPUS trabalham em modo de verificação mútua, melhorando o tempo de resposta e a precisão do dispositivo, prevenindo operações errôneas ou falhas, e aumentando a estabilidade e confiabilidade.
Compensação automática de temperatura em faixa total permite que o dispositivo opere a longo prazo em ambientes de -20°C a +60°C.
Os sinais de medição e proteção são processados separadamente dentro do dispositivo, atendendo aos requisitos de precisão e alcance de proteção e confiabilidade.
Use um circuito de amostragem de frequência dedicado para rastrear com precisão a frequência da rede, tornando os cálculos de grandezas elétricas mais precisos.
Use isolamento óptico para sinais de entrada e saída digitais e cabos blindados para fiação interna do gabinete, efetivamente prevenindo sinais de interferência externa e melhorando a capacidade anti-interferência do dispositivo.
Use uma tela LCD grande e teclado de membrana para exibição numérica mais clara e operação mais fácil.
Após a comissionamento e operação, os valores de configuração para vários modos de proteção são armazenados digitalmente em EPROM, permitindo fácil recuperação após a depuração ou reparo de falhas no circuito.
Inclua um circuito de controle de disjuntor completo adequado para controlar vários tipos de disjuntores, facilitando a atualização da subestação.
Tenha capacidades abrangentes de análise de acidentes, incluindo registros de eventos de ação de proteção, registros de ultrapassagem de limites de sinais de grandezas elétricas e gravação de falhas.
4. O Papel dos Dispositivos Integrados de Proteção por Microcomputador em Equipamentos de Alta Tensão
Os dispositivos de proteção por microcomputador protegem os circuitos contra condições anormais. Seus papéis em equipamentos de alta tensão são os seguintes:
Os dispositivos de proteção por microcomputador possuem fortes capacidades de processamento de dados, operações lógicas e armazenamento de informações, apresentando uma arquitetura interna avançada. Eles oferecem as funções de proteção completa de proteção por relé convencional. Ao receber sinais de componentes de medição, como transformadores de corrente e tensão, o dispositivo pode monitorar, controlar e proteger o estado do circuito. Isso inclui proteção contra curtos-circuitos, sobrecargas, falhas de terra monofásicas, etc. Sem um dispositivo de proteção, essas funções em equipamentos de alta tensão são alcançadas usando relés. Com a proteção por microcomputador, funções adicionais estão disponíveis, como fácil aceitação de controle remoto, comunicação com o sistema superior para transmitir sinais de corrente, tensão, potência e energia do circuito, e ajuste conveniente das configurações de proteção.
